王孝君， 秦傳鑫

(1 北京鐵路局 車輛處， 北京 100860；2 北京鐵路局 北京動車段， 北京 102600)

近年來，隨著高鐵、客專等線路的大規(guī)模開通，速度快、舒適度好的高速動車組列車越來越成為人們出行的首選交通工具。動車組列車運行速度及運行線路條件均遠高于普速列車，為了解決以往直排式污物處理方式對鐵路沿線環(huán)境造成嚴重影響，杜絕運行列車拋灑異物對列車及沿線產(chǎn)生的安全隱患，采用真空集便器方式處理污物，使列車運行途中做到零排放，不僅打造綠色生態(tài)鐵路線，而且還能帶給旅客舒適安全的出行環(huán)境。

1 高速動車組集便器檢修問題與檢修設計方案

雖然集便器的功能比較單一，但真空集便器實現(xiàn)了收集污物而不影響車體環(huán)境的重要功能。為保障列車運行過程中這整套集便器系統(tǒng)能夠正常運行，需要對其進行定時檢修。我國動車組檢修規(guī)程中規(guī)定，動車組在運行狀態(tài)下，僅能對集便器進行在線故障處理，只有在檢修狀態(tài)下才能進行系統(tǒng)的車下檢修。以往針對不同類型的集便器需要不同的檢修設備，工序繁雜。為集中統(tǒng)一檢修不同動車組的集便器，設計了動車組集便器統(tǒng)一檢修方案和檢修工藝，能夠完成5種動車組集便器的座便器、小便器、污物箱檢修，能夠?qū)崿F(xiàn)無線遠程控制，統(tǒng)一了檢修方法等功能，滿足了不同類型集便器集中統(tǒng)一檢修。

圖1是設計的檢修工藝方案示意圖，檢修方案包括了待修待檢區(qū)、污物箱分解檢修組裝區(qū)、污物箱便器試驗區(qū)、便器配件檢修區(qū)、清洗消毒區(qū)、配件儲存區(qū)，涵蓋了所有動車組集便器關(guān)鍵部件。

2 動車組集便器原理及檢修工藝需求

檢修工藝需根據(jù)集便器的功能原理和實際情況(場地、工具、人員)設計，集便器的功能原理是設計檢修工藝的決定因素。真空集便器根據(jù)真空產(chǎn)生的位置不同，可分為在線式、壓力沖水式、保持式和中轉(zhuǎn)式4種類型[1]。高速動車組主要有CRH1、CRH2、CRH3、CRH5、CRH380A/AL、CRH380B/BL、CRH380CL等系列，其中CRH1型動車組主要采用在線式真空集便器，CRH2型動車組主要采用壓力沖洗式真空集便器，CRH380B系列動車組主要采用真空保持式真空集便器，CRH380A系列、CRH3C、CRH5A型動車組主要采用中轉(zhuǎn)式真空集便器。

圖1 集便器檢修工藝布局圖

2.1 在線式集便器原理

在線式真空集便器一般由便池、噴射器、污物箱3部分組成。在線式真空集便器的優(yōu)點在于吸污效果好、沖刷等待時間和單次沖刷循環(huán)時間較短，不受污物箱容量的限制，維修簡單，但其能耗較大[2]。

污物箱需處于常壓狀態(tài)，啟動噴射器，在便池和污物箱之間的管道內(nèi)產(chǎn)生約-35 kPa的間隙式真空，同時壓縮空氣作用于水增壓器，產(chǎn)生一定壓力的水流沖洗便池，再排放閥打開，在壓力水流和間隙式負壓力作用下，污物被吸入污物箱，隨之排放閥關(guān)閉。

2.2 壓力沖洗式集便器原理

壓力沖洗式真空集便器一般由便池、水增壓裝置和污物箱組成。壓力沖洗式真空集便器優(yōu)點在于能耗小、維修簡單，但其污物清理效果不夠理想。

其沖洗水出口安裝在便池組成單元內(nèi)部，通過電磁閥控制壓縮空氣作為動力，操作水增壓裝置和排污閥工作。沖洗用水由壓縮空氣增壓，產(chǎn)生大于0.3 MPa的壓力水對便池進行沖洗，污物在壓力水沖洗及重力的雙重作用下被排放到污物箱內(nèi)后瓣閥關(guān)閉，水增壓器恢復水位。為防止異味，便池在排污過程中啟動廢排風扇將異味排到廢排風道中。

2.3 真空保持式集便器原理

真空保持式集便器的優(yōu)點在于清理效果好、排污率高、管路污垢較少，但其耗能較大。

真空保持式集便器通過真空發(fā)生器上的噴射器將整個污物箱抽成負壓，在污物箱和排污管內(nèi)建立并保持一定的真空度(一般真空度需達到-18 kPa以上)。沖洗時，壓縮空氣作用于水增壓器，產(chǎn)生一定壓力的水流沖洗便池，隨之排泄閥打開，在壓力水流以及污物箱和管路負壓力的雙重作用下，將污物吸入污物箱后，排泄閥關(guān)閉，水增壓器恢復水位，為下次沖洗做好準備。

2.4 中轉(zhuǎn)式真空集便器原理

中轉(zhuǎn)式真空集便器最大的優(yōu)點就是空氣消耗量小，各部件安裝緊湊，節(jié)省空間；而存在的最大缺點就是增加了容量較小的中轉(zhuǎn)箱和相應的進、出口閥門，使得中間環(huán)節(jié)增加，導致容易堵塞，同時由于部件緊湊導致維修難度加大[3]。

中轉(zhuǎn)式真空集便器在便池與污物箱之間增加了一個中轉(zhuǎn)箱，噴射器只在中轉(zhuǎn)箱中產(chǎn)生真空。沖洗時，中轉(zhuǎn)箱首先產(chǎn)生約-40 kPa的負壓力，污物在水增壓器產(chǎn)生的沖洗水壓力和中轉(zhuǎn)箱負壓力的作用下被輸送到中轉(zhuǎn)箱內(nèi)，污物進入中轉(zhuǎn)箱后，氣源處理裝置在中轉(zhuǎn)箱內(nèi)沖入壓縮空氣，使中轉(zhuǎn)箱內(nèi)形成正壓(一般達到約60 kPa)，中轉(zhuǎn)箱內(nèi)的污物在正壓力的作用下通過管路被輸送到非密閉式污物箱中。

2.5 集便器檢修需求

集便器檢修線包括集便器污物箱功能試驗臺、便器試驗臺、污物箱翻轉(zhuǎn)臺、便器檢修臺、測試平臺、檢修管理信息系統(tǒng)等模塊。根據(jù)上述集便器的功能原理，集便器檢修線各模塊需求如下：

(1) 集便器污物箱功能試驗臺需滿足①檢測伴熱線、電加熱管功率及加熱指示是否功能正常；②檢測污物箱上配線各項與地之間的絕緣耐壓性能；③真空密封性檢測功能；④液位動作檢測功能。

(2) 集便器試驗臺需滿足①沖洗動作檢測功能：②沖洗流型檢測功能；③沖洗管路泄漏檢測功能；④沖洗循環(huán)時間檢測功能；⑤真空度檢測功能；⑥壓力開關(guān)動作點檢測功能。

(3) 污物箱翻轉(zhuǎn)臺需滿足①污物箱分解、組裝作業(yè)時的翻轉(zhuǎn)；②轉(zhuǎn)速需達到3 r/min；③緊急停止運行功能；④電機過熱保護功能；⑤安裝座位位置可調(diào)，滿足不同外形尺寸部件要求。

(4) 集便器檢修臺需滿足：滿足各集便器的分解、組裝及集便器性能的測試工作。針對集便器零件進行檢修，濾掉不合格配件，并確保維修過的配件都能達到裝車要求。

(5) 集便器測試平臺滿足：檢測集便器是否正常完成整個沖洗動作循環(huán)功能。包括檢測沖洗流型是否正確、沖洗管路及接頭有無泄漏、檢測完成一次沖洗循環(huán)的時間、檢測抽真空的真空度值、檢測加壓壓力值、檢測壓力開關(guān)動作點等功能。

(6) 檢修管理信息系統(tǒng)需滿足①考勤及查詢記錄相關(guān)操作者信息；②記錄并查閱各設備信息；③記錄相關(guān)檢測情況；④具備打印功能。

3 檢修方案及檢修工藝設計

測試平臺是集便器檢修工藝流程中非常重要的一道檢修工序，其測試方法及結(jié)果的準確性直接影響到整個集便器檢修的工作量。

設計的檢修工藝流程如圖2。

圖2 檢修工藝流程圖

檢修方案工藝設計主要包括集便器污物箱試驗臺、污物箱翻轉(zhuǎn)臺、集便器檢修臺、集便器測試平臺、檢修管理信息系統(tǒng)及其他輔助設備等。

3.1 集便器污物箱試驗臺設計

集便器污物箱由操作臺、水箱系統(tǒng)、試驗托架等部分組成。操作臺采用琴式結(jié)構(gòu)，操作面板上設有用于試驗操作的開關(guān)及按鈕、能顯示所有試驗項目及參數(shù)并且觀察其檢測狀態(tài)的液晶顯示器，操作臺柜體中裝有工控機及空氣調(diào)壓閥、水壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。水箱系統(tǒng)由水箱系統(tǒng)、水泵、壓力傳感器及溢流閥等組成。集便器整體試驗時都固定在試驗托架上，排水口直接插入水箱中，實現(xiàn)水循環(huán)。檢修時，操作臺主要由研華工控機操作，將試驗過程用程序通過DI/DO板輸出至繼電器板，驅(qū)動相應的電磁閥，進而控制有關(guān)氣路的通斷，以實現(xiàn)試驗所規(guī)定的動作。2只壓力傳感器分別將被測件氣壓和被測件水壓轉(zhuǎn)換為標準電流信號，通過AD4117采集模塊變換為數(shù)字量進入微機處理后即可得到相應的試驗結(jié)果。試驗結(jié)果可以在計算機系統(tǒng)中輸入并存儲，并且可以實現(xiàn)打印功能。

圖3 污物箱試驗臺設計原理圖

3.2 污物箱翻轉(zhuǎn)試驗臺設計

污物箱翻轉(zhuǎn)臺是將污物箱固定在翻轉(zhuǎn)臺上，通過翻轉(zhuǎn)對污物箱四周進行檢測，查看是否破損等。污物箱翻轉(zhuǎn)試驗臺由架體、翻轉(zhuǎn)體、減速電機、減速機等主要部件構(gòu)成。翻轉(zhuǎn)臺整體為碳鋼管和板焊接而成，配備了控制開關(guān)柜、內(nèi)置正反轉(zhuǎn)開關(guān)、急停按鈕、電機過熱保護設施。在使用時，可根據(jù)自己的需要進行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)直至污物箱達到需要的位置。滿足遇到緊急情況時及時能夠切斷控制回路，使正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕失效，保證設備緊急停止運行。滿足當電機出現(xiàn)過壓、過流、短路等故障時，電機過熱保護器自動斷開主控電路和控制回路，對電機及機械部件起到保護作用的要求。

3.3 集便器檢修臺

集便器檢修臺主要由拆解區(qū)、零件暫存區(qū)、零件檢修區(qū)、組裝區(qū)、信息存儲區(qū)組成。配有水源、氣源、電源、零件檢修需要的儀器儀表以及零件檢修需要的工裝等，針對便器零件進行檢修，濾掉不合格配件，并確保維修過的配件都能達到裝車要求。該檢修臺檢修功能設計，涵蓋所有類型集便器檢修需求，檢修內(nèi)容有：(1)壓力開關(guān)檢修；(2)液位開關(guān)檢修；(3)壓力表檢修；(4)水增壓器檢修；(5)真空發(fā)生器檢修；(6)中間箱檢修；(7)電控模塊檢修；(8)排泄閥檢修；(9)電磁閥檢修；(10)安全閥檢修；(11)減壓閥檢修；(12)感應器檢修；(13)溫控器檢修；(14)電加熱管檢修。

3.4 集便器測試平臺設計

試驗臺裝置模擬旅客列車集便器系統(tǒng)，構(gòu)建模擬氣路、真空管路、沖洗水及排污管路，用PLC數(shù)據(jù)采集技術(shù)對真空集便器系統(tǒng)各零部件的各項試驗數(shù)據(jù)進行采集，采集的測試數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，通過開關(guān)量I/O板，控制和讀取被試動作，與程序設定的出廠標定數(shù)據(jù)庫進行綜合比對，判斷所測參數(shù)是否合格。

由于各車型集便器的組成不同，所有的測試連接部件均采用模塊化，同時均使用快速接頭進行連接，圖4中所示的原理圖是以較復雜的中轉(zhuǎn)式真空集便器為檢測對象的集成測試平臺原理圖。

圖4 集便器的集成測試平臺組成示意圖

集便器功能檢測主要檢測集便器是否正常完成整個沖洗動作循環(huán)。針對真空保持式集便器功能檢測主要包括：集便器進行正常沖洗時，沖洗流型是否正確、檢查集便器正常沖洗循環(huán)中，沖洗管路及接頭有無泄漏等。針對推拉式集便器功能檢測主要包括：檢測集便器進行正常沖洗時，沖洗流型是否正確、檢查集便器正常沖洗循環(huán)中，沖洗管路及接頭有無泄漏、檢測完成一次沖洗循環(huán)的時間、檢測抽真空的真空度值、檢測加壓壓力值、檢測壓力開關(guān)動作點等。

3.5 檢修管理信息系統(tǒng)

檢修管理系統(tǒng)主要由工控機、觸摸屏顯示器、鍵盤、指紋考勤機、條形碼生成器、條形碼讀卡器、終端機配套外殼組成。該系統(tǒng)主要功能是記錄并查詢工作人員信息；記錄相關(guān)待修緩存區(qū)內(nèi)，待檢設備的名稱、來源、數(shù)量、現(xiàn)狀、進廠日期等信息；查閱相關(guān)檢測操作手冊等資料；記錄相關(guān)檢測情況；具備打印功能。

圖5 檢修管理信息系統(tǒng)

3.6 其他輔助設備

(1) 高壓清洗設備：高壓循環(huán)清洗設備用于污物管路及污物箱的清洗工作。此設備把清水通過高壓泵打入管路和箱體，同時污物箱內(nèi)清洗完的液體通過轉(zhuǎn)子泵抽回到清洗設備中，實現(xiàn)集中排放。

(2) 電動升降轉(zhuǎn)運叉車：采用進口電控及液壓單元，環(huán)保節(jié)能。其結(jié)構(gòu)堅固穩(wěn)定。低噪聲、無污染、故障率低、易于維修。適用于倉庫、貨場及狹窄的通道中存取貨物。

(3) 存放托盤：主要材料為鋼材、鍍鋅鋼板。經(jīng)專用設備成型，各種型材互相支撐，鉚釘連接加強，再經(jīng)

CO2氣體保護焊焊接而成。配合叉車作業(yè)，方便存取貨物。規(guī)格：1 000×1 200×130。

(4) 污物箱水壓密閉性試驗工裝：通過水加壓泵對污物箱內(nèi)膽打100 kPa水壓，檢測污物箱泄漏點。

4 結(jié) 論

拼裝式測試平臺適用于各型號真空集便器系統(tǒng)的功能檢測，該測試平臺具有很高的可靠性及實時性?？蓪ο到y(tǒng)中所有測試參數(shù)進行修改、重新設定，以滿足不同工況的測試需要。能夠有效地檢測各類型集便器是否能正常完成整個沖洗動作循環(huán)包括集便器正常沖洗循環(huán)中沖洗流型是否正確，沖洗管路及接頭有無泄漏等。并且該測試平臺具有自動記錄和打印功能，把測試數(shù)據(jù)自動保存在相應設定的目錄文件夾中，可選擇有用數(shù)據(jù)進行打印以備查詢。測試平臺操作流程簡便，全部試驗主要通過計算機自動控制與檢測，極大地降低了測試工作量，一定程度上節(jié)省了人力、物力，提高了工作效率，是一種經(jīng)濟有效的測試檢修方式。通過該測試平臺，在檢修各類集便器過程中，有效檢測集便器系統(tǒng)故障，并對其故障進行維修，為旅客及鐵路沿線營造一個安全、舒適的良好旅途環(huán)境。

[1] 中國鐵路總公司.高速動車組技術(shù)(上)[M].北京:中國鐵道出版社,2016.

[2] 范青楊.高速動車組集便器應用對比分析[J].城市軌道交通研究，2013(7)：123-126.

[3] 司全龍，施婷.CRH5A型動車組真空集便系統(tǒng)常見故障處理及分析[J].工業(yè)技術(shù)，2016(25)：151.